TWI792572B

TWI792572B - 光學式關節角度感測器

Info

Publication number: TWI792572B
Application number: TW110134986A
Authority: TW
Inventors: 陳俊亦; 李岳穆; 王娟瑜
Original assignee: 行政院原子能委員會核能研究所
Priority date: 2021-09-17
Filing date: 2021-09-17
Publication date: 2023-02-11
Also published as: TW202312937A

Abstract

一種光學式關節角度感測器，係包括一光感應元件、一發光二極體以及一光波導所構成。藉此，本發明提出一光學式關節角度感測器設計與製作方法，利用光學波導製作光學式關節角度感測器，製程簡易，所得量測數據顯示此光學式關節角度感測器訊號與關節角度大小呈現高度線性相關，可運用於不能常到復健中心的病患，於家中關節復健時能更了解自己的關節彎曲程度與復健情況，或可幫助遠距醫療診斷關節活動角度或復健指導，以追蹤較偏鄉病患的復健情況，也可進一步使用在運動員表現監測上，從而能推廣至長照健康、運動與遠距復健等領域，提供相關人員迅速與準確之數據，降低量測困難程度。

Description

光學式關節角度感測器

本發明係有關於一種光學式關節角度感測器，尤指涉及一種可應用於四肢復健裝置之關節角度監測，特別係指可運用於不能常到復健中心的病患，於家中關節復健時更了解自己的關節彎曲程度與復健情況者。

隨著全球人口結構逐漸高齡化，進一步帶動醫療復健與生活照護技術發展，其中智慧輔具更是市場需求重點。以現有量測關節角度之方法為例，需由專業醫師或是復健師幫忙將骨科尺對準關節處，始能進行量測，不僅量測不便，也缺乏即時觀察之功能。故，一般習用者係無法符合使用者於實際使用時之所需。

本發明之主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之上述問題並提供一種可應用於四肢復健裝置之關節角度監測，紀錄與量化病患之復健過程，可運用在家中做簡單復健時了解自身關節的彎曲角度，或幫助遠距醫療診斷關節活動角度或復健指導，也可進一步使用在運動員表現監測上，達到個人化醫療與復健治療等功用之光學式關節角度感測器。

為達以上之目的，本發明係一種光學式關節角度感測器，係應用於人體關節角度量測，其包括：一光感應元件；一發光二極體；以及一光波導，該光感應元件與該發光二極體設置於相對位置，並置放於該光波導內，以數個該光感應元件與該發光二極體設置於相對位置，並置放於該光波導內，以數個定位部件固定該光波導於一護具上，當關節運動時，造成該光波導伸長量產生變化，使面對該發光二極體之該光感應元件接收到的光強度隨之改變而影響輸出的電阻值，透過該電阻值的變動以推估關節彎曲角度。

於本發明上述實施例中，該人體關節為手部、肩頸及膝關節之關節。

於本發明上述實施例中，該光波導係由光學矽膠製成之波導縫製在具延展性的布料上。

於本發明上述實施例中，各該定位部件為3D列印所製成之扣具、卡準或栓具。

於本發明上述實施例中，該光波導係以該些定位部件及縫線固定於該護具上。

於本發明上述實施例中，該光感應元件為光敏電阻、光電二極體或光電晶體。

1:光感應元件

2:發光二極體

3:光波導

4:定位部件

41:塑膠扣具

42:縫線

5:護具

第1圖，係本發明未拉伸光波導及已拉伸光波導之結構示意圖。

第2圖，係本發明結合光波導之護肘實體照片圖。

第3圖，係本發明之測試架構示意圖。

第4圖，係本發明之光敏電阻值與關節彎曲角度測試數據示意圖。

請參閱『第1圖~第4圖』所示，係分別為本發明未拉伸光波導及已拉伸光波導之結構示意圖、本發明結合光波導之護肘實體照片圖、本發明之測試架構示意圖、以及本發明之光敏電阻值與關節彎曲角度測試數據示意圖。如圖所示：本發明係一種光學式關節角度感測器，係應用於人體關節角度量測，其包括一光感應元件1、一發光二極體2以及一光波導3所構成。

上述所提之光感應元件1可為光敏電阻、光電二極體或光電晶體。該光感應元件1與該發光二極體2設置於相對位置，並置放於該光波導3內，並以數個定位部件4固定該光波導3於一護具5上。其中，各該定位部件4為3D列印所製成之扣具、卡準或栓具。如是，藉由上述揭露之結構構成一全新之光學式關節角度感測器。

以下實施例僅舉例以供了解本發明之細節與內涵，但不用於限制本發明之申請專利範圍。

光線在介質中傳播會因材料吸收產生一定之能量損耗，根據比爾-朗伯定律(Beer-Lambert law)：A=aLc (1)其中A為吸收量；a為材料吸收係數；L為光傳播路徑長度；以及c為介質中吸光物質濃度。假設a與c在光波導拉伸時為定值，則光線能量損耗(吸收量)與光波導長度成正比。

為了幫助關節復健的病人在家中做簡單復健時可了解自身關節的彎曲角度，本發明提出一種光學式關節角度感測器，將光學矽膠製成之光波導3縫製在具延展性的布料上，當關節運動時，造成該光波導3伸長量產生變化，使面對該發光二極體2之該光感應元件1(如光敏電阻)接收到的光強度隨之改變而影響輸出的電阻值，以此來推估關節彎曲角度，波導結構如第1圖所示。接續將該光波導3以3D列印的定位部件4，例如以3D列印的塑膠扣具41及縫線42固定於該護具5上，避免關節運動時滑動影響測量數據，實體照片如第2圖所示。當關節運動時，造成光波導3伸長量上的變化，光敏電阻接收到光強度也會跟著改變，透過電阻值的變動可推估關節彎曲的角度。

本發明所提光學式關節角度感測器之測試架構如第3圖所示。在測試平台上標定不同角度，將手肘中心對準角度中心點，彎曲手肘並同時記錄角度與光敏電阻值。如第4圖所示實驗數據顯示，波導能量輸出(光敏電阻值)與關節彎曲角度之數據呈現高度線性相關，相關係數達0.974。

另，本實施例僅為說明之用，本發明所提光學式關節角度感測器可依應用情境改變尺寸，以應用於人體手部、肩頸、膝關節等其餘部位之關節角度量測，紀錄復健者的關節相關資訊做為醫師診斷之參考，亦可用於遠距復健指導等。

藉此，本發明所提光學式關節角度感測器有別於一般電子式感測器，具備高延展、耐潮濕，並能抵抗外在電磁場對訊號干擾之能力佳等優點。本發明提出一光學式關節角度感測器設計與製作方法，利用光學波導製作光學式關節角度感測器，製程簡易，所得量測數據顯示此光學式關節角度感測器訊號與關節角度大小呈現高度線性相關，可運用於不能常到復健中心的病患，於家中關節復健時能更了解自己的關節彎曲程度與復健情況，或可幫助遠距醫療診斷關節活動角度或復健指導，以追蹤較偏鄉病患的復健情況，也可進一步使用在運動員表現監測上，從而能推廣至長照健康、運動與遠距復健等領域，提供相關人員迅速與準確之數據，降低量測困難程度。

綜上所述，本發明係一種光學式關節角度感測器，可有效改善習用之種種缺點，可應用於四肢復健裝置之關節角度監測，紀錄與量化病患之復健過程，可運用在家中做簡單復健時了解自身關節的彎曲角度，或幫助遠距醫療診斷關節活動角度或復健指導，也可進一步使用在運動員表現監測上，達到個人化醫療與復健治療等功用，進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1:光感應元件

2:發光二極體

3:光波導

Claims

一種光學式關節角度感測器，係應用於人體關節角度量測，其包括：一光感應元件；一發光二極體；以及一光波導，該光感應元件與該發光二極體設置於相對位置，並置放於該光波導內，以數個定位部件固定該光波導於一護具上，該光波導係由光學矽膠製成之波導縫製在具延展性的布料上，當關節運動時，造成該光波導伸長量產生變化，使面對該發光二極體之該光感應元件接收到的光強度隨之改變而影響輸出的電阻值，透過該電阻值的變動以推估關節彎曲角度。
依申請專利範圍第1項所述之光學式關節角度感測器，其中，該人體關節為手部、肩頸及膝關節之關節。
依申請專利範圍第1項所述之光學式關節角度感測器，其中，該定位部件為3D列印所製成之扣具、卡準或栓具。
依申請專利範圍第1項所述之光學式關節角度感測器，其中，該光波導係以該定位部件及縫線固定於該護具上。
依申請專利範圍第1項所述之光學式關節角度感測器，其中，該光感應元件為光敏電阻、光電二極體或光電晶體。